承插式預(yù)制橋墩抗震性能研究綜述

丁世聰，韓艷，王江江，黃志明 （北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144）

0 前言

橋梁是主要交通路徑，我國對橋梁建設(shè)發(fā)展高度重視[1]。橋梁墩柱預(yù)制拼裝技術(shù)相比傳統(tǒng)的現(xiàn)澆式墩柱有很大進步，具有現(xiàn)場施工量少、方便快捷、高效環(huán)保等優(yōu)勢。橋梁墩柱與承臺的連接主要有整體現(xiàn)澆式、灌漿套筒、灌漿金屬波紋管、承插式[1-2]等形式。其中整體現(xiàn)澆式是對墩柱與承臺的鋼筋進行綁扎形成整體鋼筋籠，然后對其整體現(xiàn)場混凝土澆筑，此連接構(gòu)造在實際工程中應(yīng)用較多，但施工周期長、現(xiàn)場作業(yè)量大。與灌漿套筒、灌漿金屬波紋管等相比，承插式的墩柱與承臺連接精度要求更低，更有利于加快施工速度[3]。在地震作用下橋梁下部結(jié)構(gòu)很容易遭到破壞，尤其是預(yù)制墩柱與基礎(chǔ)的連接界面是抗震性能的薄弱部位，所以，這種類型的橋墩僅限于低烈度區(qū)采用[4-5]。我國是地震多發(fā)國家，預(yù)制橋墩的抗震性能需要進一步提高，為此，本文總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者對承插式預(yù)制墩柱抗震性能研究現(xiàn)狀，提出了需進一步研究的問題，以促進我國承插式橋墩在橋梁工程中的合理應(yīng)用。

1 承插式連接構(gòu)造特點及應(yīng)用

墩柱與承臺基礎(chǔ)的承插式連接系將預(yù)制墩柱放入承臺基礎(chǔ)預(yù)留杯口內(nèi)，并用灌漿料填充縫隙，通過灌漿料提供的固結(jié)作用使墩柱與承臺形成整體。該連接構(gòu)造最大的特點是現(xiàn)場作業(yè)量少，施工工序簡單，施工周期短，是橋梁下部結(jié)構(gòu)預(yù)制裝配的一種有力競爭方案[3]。尤其在交通繁忙和居民眾多的城市中心區(qū)域，因可以大大縮短現(xiàn)場施工時間，減少施工作業(yè)面，從而可以減少不必要的拆遷，大幅緩解橋梁施工期間對周圍交通的干擾，降低施工中產(chǎn)生的各種噪聲，消除粉塵污染，同時可以提高施工人員安全性和施工質(zhì)量，符合快速施工、綠色施工、文明施工的現(xiàn)代化橋梁建設(shè)發(fā)展需求。美國華盛頓州SR520公路的interstate 5號公路橋就采用了預(yù)制墩柱與承臺的承插式連接，并在預(yù)制墩柱嵌入段外表面設(shè)置環(huán)形凹槽以提升表面粗糙度，從而增大承臺與墩柱粘結(jié)力使兩者連接更加牢固。我國上海嘉閔高架北二段一座匝道橋也采用了預(yù)制墩柱與基礎(chǔ)的承插式連接，且也在預(yù)制墩柱嵌入段外表面設(shè)置了環(huán)形凹槽。另外，北京積水潭立交橋及江北東高速也采用預(yù)制墩柱與承臺承插式連接，后者是國內(nèi)首次在管樁基礎(chǔ)上對下部結(jié)構(gòu)橋墩連接采用承插式技術(shù)連接，為我國橋梁下部構(gòu)造承插式連接技術(shù)研究與應(yīng)用做出了卓越的貢獻。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

墩柱與基礎(chǔ)承插式連接構(gòu)造是近年來預(yù)制橋梁建設(shè)的新型橋墩構(gòu)造形式，但并不是一種全新的連接構(gòu)造，其構(gòu)造原理與工民建結(jié)構(gòu)中的杯型基礎(chǔ)相似。1996年，日本學(xué)者Osanai等[6]對房屋建筑結(jié)構(gòu)墩柱-基礎(chǔ)的承插式連接構(gòu)造進行了擬靜力試驗，對柱基應(yīng)力傳遞機理進行研究，推導(dǎo)出承插式連接墩柱-基礎(chǔ)構(gòu)件在水平力和軸向力作用下的節(jié)點受力計算公式，并提出了相應(yīng)的設(shè)計方法。該研究首次提出不同埋置深度墩柱剪力鍵的設(shè)置與摩擦系數(shù)的選取，但結(jié)果是基于特定尺寸的剪力鍵，沒有考慮墩柱插入界面粗糙度與基礎(chǔ)杯底開口尺寸的影響，因此所得結(jié)論不具備代表性。

2004年，Canha等[7-9]對房屋建筑結(jié)構(gòu)墩柱-基礎(chǔ)承插式連接節(jié)點的受力行為進行研究，先后分析了有無剪力鍵以及剪力鍵尺寸對承插式連接結(jié)構(gòu)抗剪性能的影響，結(jié)果表明墩柱縱筋最大應(yīng)變值出現(xiàn)在0.5倍埋深附近，由此導(dǎo)出墩柱縱筋錨固長度大約為0.5倍墩柱埋深，并建議了剪力鍵最大尺寸和最小尺寸。Anil等[10]建立了承插式預(yù)制墩柱的有限元模型，對Canha[7-9]等人的研究結(jié)果進行了驗證，分析了預(yù)制墩柱與承臺基礎(chǔ)承插式連接節(jié)點的應(yīng)力傳遞機理。結(jié)果表明，在一定水平荷載作用下，承臺基礎(chǔ)預(yù)留杯口壓應(yīng)力最大，隨著墩柱承插深度的增加，承插孔壁應(yīng)力逐漸減小，在大約一半承插深度時，承插孔壁所受應(yīng)力為零，此處，同側(cè)承插孔壁由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力，且隨承插深度的增加而增大，該應(yīng)力值與界面接觸面剛度系數(shù)成正比。

隨著橋梁建設(shè)技術(shù)快速發(fā)展，施工速度要求不斷提高，承插式連接構(gòu)造越來越多地應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)施工建設(shè)中。因橋梁結(jié)構(gòu)中的預(yù)制墩柱截面尺寸、承受荷載量級等與房屋建筑結(jié)構(gòu)墩柱相差較大，所以房屋建筑結(jié)構(gòu)墩柱-基礎(chǔ)承插式連接構(gòu)造不能直接用于橋梁工程中。因此，國外一些學(xué)者結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H橋梁應(yīng)用要求提出了幾種具體的承插式橋墩構(gòu)造形式，并對其靜力性能及抗震性能做了初步的分析工作[11-14]。

2013 年，Haraldsson 等[11]對兩個嵌入深度分別為0.5D、1.1D（D為墩柱直徑）的預(yù)制墩柱及現(xiàn)澆基礎(chǔ)的承插式橋墩進行了擬靜力試驗，試驗的墩柱縱向鋼筋沒有向墩底外部彎出并延伸到現(xiàn)澆基礎(chǔ)內(nèi)，而是采用了錨固頭的構(gòu)造形式。結(jié)果表明，0.5D橋墩的承臺基礎(chǔ)發(fā)生沖剪破壞，1.1D橋墩的破壞是由墩柱本身失效引起的，而承插式節(jié)點構(gòu)造保持完好。同年，Mashal等[12]對雙柱式橋墩與承臺承插式連接構(gòu)造進行擬靜力試驗研究，并根據(jù)墩柱破壞現(xiàn)象及墩柱塑性鉸區(qū)鋼筋的應(yīng)變大小對柱體破壞程度進行等級劃分，結(jié)果表明承插式預(yù)制橋墩有較好的抗震效果。鋼筋應(yīng)變直接反映了其所受應(yīng)力大小，而墩柱鋼筋配筋率直接影響到其所受應(yīng)力，對于墩柱塑性鉸區(qū)配筋率對柱體破壞程度及破壞形式的影響程度還需進一步研究。

2018 年，Mohebbi等[13-14]先后對大型單柱預(yù)應(yīng)力墩和雙柱墩進行振動臺試驗，墩柱與帽梁及承臺基礎(chǔ)采用承插式連接，前者墩柱承插深度為1.0D，后者墩柱與承臺及帽梁承插深度分別為1.36D、1.0D。單柱墩塑性鉸區(qū)承臺界面上2.0D、雙柱墩帽梁界面下1.5D范圍內(nèi)采用超高性能混凝土材料（UHPC）進行加固。振動臺試驗結(jié)果表明UHPC能夠有效降低墩柱塑性鉸區(qū)的地震損傷和混凝土剝落，承臺基礎(chǔ)界面下柱體縱筋塑性變形的增大能夠提高其延性，避免柱體結(jié)構(gòu)過早破壞。由于該試驗研究的UHPC及鋼筋塑性變形會對柱體損傷產(chǎn)生影響，而鋼筋塑性變形與自身強度有關(guān)，因此，加固墩柱塑性鉸區(qū)段的材料種類、材料加固范圍及應(yīng)用的鋼筋強度必定會對柱體損傷產(chǎn)生影響，其影響規(guī)律還需要通過試驗進一步研究。

在國內(nèi)，2016年，夏樟華等[15]對美國華盛頓州的橋梁快速施工技術(shù)進行總結(jié)，指出當(dāng)承插式橋墩的預(yù)制墩柱埋深大于等于墩柱直徑時，預(yù)制墩柱-基礎(chǔ)連接的性能會等于或好于現(xiàn)澆混凝土橋墩。2018 年，冷大偉[16]和陳金彪等[17-18]提出預(yù)制承臺基礎(chǔ)與空心墩柱承插式連接的兩種構(gòu)造形式，即鋼板剪力釘連接方式和梯形剪力齒連接方式，并分析了兩種連接構(gòu)造的預(yù)制墩柱-基礎(chǔ)連接接頭處的緊密性及受力特點，結(jié)果表明，預(yù)制墩柱最終破壞形式都是彎曲破壞，梯形剪力齒連接形式的預(yù)制墩柱表現(xiàn)更為優(yōu)越。陳金彪等[18-19]還利用ABAQUS對兩種連接方式的橋墩進行了數(shù)值模擬分析，模擬結(jié)果與試驗結(jié)論基本吻合，為采用有限元方法進行承插式預(yù)制橋墩抗震性能參數(shù)分析奠定了基礎(chǔ)。

2019年，徐艷等[19]對一個整體現(xiàn)澆墩柱和四個不同承插深度（0.5D、0.7D、1.0D、1.5D）的預(yù)制墩柱進行擬靜力試驗，并進行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明不同承插深度的預(yù)制墩柱的抗震性能與整體現(xiàn)澆橋墩基本一致，并且承插深度主要影響的是承插孔壁應(yīng)力分布，承臺基礎(chǔ)對預(yù)制墩柱的約束作用與樁周土對嵌巖樁的約束作用極為相似，根據(jù)試驗及數(shù)值模擬結(jié)果，得到該連接構(gòu)造在保證灌漿料粘接良好的情況下，0.7D的承插深度可作為最小合理承插深度推薦值。該承插深度是在理想狀態(tài)下推導(dǎo)出來的，而在實際工程施工中，施工誤差可能會對承插式預(yù)制墩柱抗震性能產(chǎn)生影響，因此，墩柱0.7D的承插深度是否能夠應(yīng)用于實際工程還有待進一步驗證。

3 承插式預(yù)制橋墩抗震性能研究方向

從前面的研究現(xiàn)狀可以看出，目前關(guān)于承插式預(yù)制橋墩抗震性能的研究還不夠系統(tǒng)深入，可以考慮在以下幾個方面加強研究：

①研究承臺基礎(chǔ)預(yù)留孔洞尺寸、預(yù)制墩柱塑性鉸區(qū)配筋率對承插式預(yù)制橋墩抗震性能的影響；

②研究加固墩柱塑性鉸區(qū)段的材料種類、材料加固范圍及鋼筋配置等對預(yù)制橋墩抗震性能的影響程度，揭示具有不同構(gòu)造參數(shù)的承插式預(yù)制橋墩在地震作用下的損傷演化過程和破壞特征，優(yōu)化承插式連接構(gòu)造參數(shù)。

4 結(jié)語

本文主要闡述了承插式預(yù)制橋墩抗震性能的研究現(xiàn)狀、存在局限及發(fā)展方向等相關(guān)問題。總結(jié)了影響承插式預(yù)制橋墩抗震性能的主要因素包括墩柱插入界面粗糙度、墩柱承插深度等，而承臺基礎(chǔ)預(yù)留杯口尺寸、墩柱塑性鉸區(qū)段加固的材料種類、材料加固范圍及鋼筋配置對預(yù)制橋墩抗震性能的影響規(guī)律是進一步的研究方向，建議采用理論分析、模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法以更全面研究承插式預(yù)制橋墩的抗震性能。